Зоны валентности и проводимости - Valence and conduction bands

Заполнение электронных состояний в различных типах материалов при равновесии . Здесь высота - это энергия, а ширина - это плотность доступных состояний для определенной энергии в указанном материале. Оттенок соответствует распределению Ферми – Дирака ( черный : все состояния заполнены, белый : ни одно состояние не заполнено). В металлах и полуметаллах на уровень Ферми Е F лежит внутри по меньшей мере одной полосы.
В изоляторах и полупроводниках уровень Ферми находится внутри запрещенной зоны ; однако в полупроводниках зоны достаточно близки к уровню Ферми, чтобы их можно было термически заполнить электронами или дырками .

В физике твердого тела , то валентная зона и зона проводимости , являются полосами близких к уровню Ферми , и , таким образом , определяет электрическую проводимость твердого вещества. В неметаллах валентная зона - это самый высокий диапазон энергий протонов, в котором электроны обычно присутствуют при температуре абсолютного нуля , а зона проводимости - это самый низкий диапазон свободных электронных состояний . На графике электронной зонной структуры материала валентная зона расположена ниже уровня Ферми, а зона проводимости - над ним.

Различие между валентной зоной и зоной проводимости не имеет смысла в металлах, потому что проводимость происходит в одной или нескольких частично заполненных зонах, которые приобретают свойства как валентной зоны, так и зоны проводимости.

Ширина запрещенной зоны

В полупроводниках и изоляторах две зоны разделены запрещенной зоной , а в полуметаллах зоны перекрываются. Запрещенная зона - это диапазон энергий в твердом теле, в котором не могут существовать электронные состояния из-за квантования энергии. Электропроводность неметаллов определяется восприимчивостью электронов к возбуждению из валентной зоны в зону проводимости.

Электрическая проводимость

Полупроводниковая зонная структура (много полос 2) .svg
Зонная структура полупроводника Более подробное описание зонной структуры
см. В разделе « Электропроводность и полупроводник» .

В твердых телах способность электронов действовать как носители заряда зависит от наличия свободных электронных состояний. Это позволяет электронам увеличивать свою энергию (т.е. ускоряться ) при приложении электрического поля . Точно так же дырки (пустые состояния) в почти заполненной валентной зоне также учитывают проводимость.

Таким образом, электропроводность твердого тела зависит от его способности перемещать электроны из валентной зоны в зону проводимости. Следовательно, в случае полуметалла с областью перекрытия электропроводность высокая. Если имеется небольшая запрещенная зона (E g ), то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости возможен только при подаче внешней энергии (тепловой и т. Д.); эти группы с малым E g называются полупроводниками . Если E g достаточно велико, то поток электронов из валентной зоны в зону проводимости становится незначительным при нормальных условиях; эти группы называются изоляторами .

Однако в полупроводниках присутствует некоторая проводимость. Это происходит из-за теплового возбуждения - некоторые электроны получают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть запрещенную зону за один раз. Попав в зону проводимости, они могут проводить электричество, как и дыра, которую они оставили в валентной зоне. Дырка - это пустое состояние, которое позволяет электронам в валентной зоне некоторую степень свободы.

Смотрите также

Рекомендации

  • «Хембио» .
  • «Гиперфизика» .
  • Киттель, Чарльз (2005). Введение в физику твердого тела . Вайли. ISBN 0-471-41526-X.

Внешние ссылки